基于模糊控制的直流電機調速系統(tǒng)(共59頁)

1、PAGE 獨立(dl)完成與誠信聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設計（論文）是本人在指導教師的指導下，獨立工作所取得的成果并撰寫完成的，鄭重確認沒有剽竊、抄襲等違反學術道德、學術規(guī)范的侵權行為。文中除已經標注引用的內容外，不包含(bohn)其他人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。畢業(yè)設計（論文）作者簽名： 指導(zhdo)導師簽名： 簽字日期： 簽字日期：畢業(yè)設計版權(bnqun)使用授權書本人完全了解有關保管、使用畢業(yè)設計的規(guī)定。特授權可以將畢業(yè)設計的全部或部分內容公開和編入有

2、關數據庫提供檢索，并采用影印(yngyn)、縮印或掃描等復制手段復制、保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交畢業(yè)設計原件或復印件和電子文檔（涉密的成果在解密后應遵守此規(guī)定）。畢業(yè)設計作者(zuzh)簽名： 導師簽名：簽字日期： 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc419988677 摘 要 PAGEREF _Toc419988677 h I HYPERLINK l _Toc419988678 Abstract PAGEREF _Toc419988678 h II HYPERLINK l _Toc419988679 第一章 緒 論 PAGE

3、REF _Toc419988679 h 1 HYPERLINK l _Toc419988680 1.1 論文的背景(bijng)及意義 PAGEREF _Toc419988680 h 1 HYPERLINK l _Toc419988681 1.2 國內外研究(ynji)現狀及發(fā)展展望 PAGEREF _Toc419988681 h 1 HYPERLINK l _Toc419988682 1.3 本文研究的主要(zhyo)內容 PAGEREF _Toc419988682 h 2 HYPERLINK l _Toc419988683 第二章 直流電機 PAGEREF _Toc419988683 h

4、3 HYPERLINK l _Toc419988684 2.1 直流電機簡介 PAGEREF _Toc419988684 h 3 HYPERLINK l _Toc419988685 2.2 直流電機結構 PAGEREF _Toc419988685 h 3 HYPERLINK l _Toc419988686 2.2.1 定子 PAGEREF _Toc419988686 h 4 HYPERLINK l _Toc419988687 2.2.2 轉子 PAGEREF _Toc419988687 h 4 HYPERLINK l _Toc419988688 2.3 直流電機工作原理 PAGEREF _To

5、c419988688 h 5 HYPERLINK l _Toc419988689 2.4 直流電機調速原理 PAGEREF _Toc419988689 h 6 HYPERLINK l _Toc419988690 第三章 模糊控制概論 PAGEREF _Toc419988690 h 8 HYPERLINK l _Toc419988691 3.1 模糊控制理論 PAGEREF _Toc419988691 h 8 HYPERLINK l _Toc419988692 3.2 模糊控制與PID控制對比 PAGEREF _Toc419988692 h 9 HYPERLINK l _Toc419988693

6、 3.3 模糊控制原理 PAGEREF _Toc419988693 h 11 HYPERLINK l _Toc419988694 3.3.1 模糊控制的基本原理 PAGEREF _Toc419988694 h 11 HYPERLINK l _Toc419988695 3.3.2 模糊控制器設計方法 PAGEREF _Toc419988695 h 11 HYPERLINK l _Toc419988696 第四章 MATLAB中模糊應用及仿真 PAGEREF _Toc419988696 h 13 HYPERLINK l _Toc419988697 4.1 用MATLAB編輯模糊控制器 PAGERE

7、F _Toc419988697 h 13 HYPERLINK l _Toc419988698 4.2 結合本設計巧用MATLAB PAGEREF _Toc419988698 h 13 HYPERLINK l _Toc419988699 4.2.1 模糊推理的五個步驟 PAGEREF _Toc419988699 h 13 HYPERLINK l _Toc419988700 4.2.2 模糊邏輯工具箱的使用 PAGEREF _Toc419988700 h 14 HYPERLINK l _Toc419988701 4.3 在MATLAB中用查詢表法仿真 PAGEREF _Toc419988701 h

8、 18 HYPERLINK l _Toc419988702 4.3.1 建立查詢表法仿真模型 PAGEREF _Toc419988702 h 18 HYPERLINK l _Toc419988703 4.3.2 模型仿真輸入輸出信號對比 PAGEREF _Toc419988703 h 19 HYPERLINK l _Toc419988704 第五章 軟件算法設計 PAGEREF _Toc419988704 h 20 HYPERLINK l _Toc419988705 5.1 模糊控制算法(sun f)設計 PAGEREF _Toc419988705 h 20 HYPERLINK l _Toc4

9、19988706 5.1.1 選取(xunq)模糊控制器 PAGEREF _Toc419988706 h 20 HYPERLINK l _Toc419988707 5.1.2 選取(xunq)合適的模糊子集進行模糊化 PAGEREF _Toc419988707 h 20 HYPERLINK l _Toc419988708 5.1.3 建立模糊規(guī)則表 PAGEREF _Toc419988708 h 22 HYPERLINK l _Toc419988709 5.1.4 模糊推理 PAGEREF _Toc419988709 h 23 HYPERLINK l _Toc419988710 5.1.5 去

10、模糊化 PAGEREF _Toc419988710 h 24 HYPERLINK l _Toc419988711 5.1.6 模糊控制表 PAGEREF _Toc419988711 h 24 HYPERLINK l _Toc419988712 5.2 軟件編程 PAGEREF _Toc419988712 h 25 HYPERLINK l _Toc419988713 5.2.1 核心模糊算法 PAGEREF _Toc419988713 h 25 HYPERLINK l _Toc419988714 5.2.2 霍爾元件測速 PAGEREF _Toc419988714 h 26 HYPERLINK

11、l _Toc419988715 5.2.3 電機速度數碼管顯示 PAGEREF _Toc419988715 h 27 HYPERLINK l _Toc419988716 第六章 硬件電路設計 PAGEREF _Toc419988716 h 28 HYPERLINK l _Toc419988717 6.1 器件選型 PAGEREF _Toc419988717 h 28 HYPERLINK l _Toc419988718 6.1.1 主控芯片AT89C51 PAGEREF _Toc419988718 h 28 HYPERLINK l _Toc419988719 6.1.2 晶振電路與復位電路 PA

12、GEREF _Toc419988719 h 31 HYPERLINK l _Toc419988720 6.1.3 L298N電機驅動模塊 PAGEREF _Toc419988720 h 33 HYPERLINK l _Toc419988721 6.1.4 LED數碼管顯示電路 PAGEREF _Toc419988721 h 34 HYPERLINK l _Toc419988722 6.1.5 霍爾元件測速 PAGEREF _Toc419988722 h 34 HYPERLINK l _Toc419988723 6.2 protues硬件仿真 PAGEREF _Toc419988723 h 35

13、 HYPERLINK l _Toc419988724 6.2.1 測速模塊仿真 PAGEREF _Toc419988724 h 35 HYPERLINK l _Toc419988725 6.2.2 調速模塊仿真 PAGEREF _Toc419988725 h 36 HYPERLINK l _Toc419988726 總結與展望 PAGEREF _Toc419988726 h 39 HYPERLINK l _Toc419988727 參考文獻 PAGEREF _Toc419988727 h 41 HYPERLINK l _Toc419988728 致 謝 PAGEREF _Toc41998872

14、8 h 42 HYPERLINK l _Toc419988729 附錄A 外文文獻及其譯文 PAGEREF _Toc419988729 h 43 HYPERLINK l _Toc419988730 附錄B： 畢業(yè)設計任務書 PAGEREF _Toc419988730 h 49 III摘 要模糊控制是以模糊集合理論(lln)為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng) 理論和模糊技術(jsh)與自動控制技術相結合的產物，是一種更為智能和節(jié)能的控制 方式。本設計(shj)為模糊速度控制器,傳感器采集到速度后與設定速度比較，得到模糊控制所需的兩個輸入量。設計中對兩個輸入量模糊量化，并確定其隸屬函數，建立

15、模糊控制表，經單片機編程處理后得出結果，通過PWM控制電機 進行加速。最后達到的效果是使速度較穩(wěn)定的保持恒定。 該系統(tǒng)的應用表明,該控制精度對儲層設計技術具有可靠穩(wěn)定性，它已經達 到更高的準確度,并能在短的工作時間確保過渡過程的溫度的精確控制。 首先介紹了該系統(tǒng)的整體構成,然后從硬件和軟件兩方面進行介紹。在硬件 部分,描述了系統(tǒng)的總體結構和之間的關系,并進一步講述方式內部結構和外部 特征的新編程的籌碼；在軟件部分,解釋了模糊控制理論,又說明了該系統(tǒng)的應 用程序；第三,從模糊控制的實現方面說明了該系統(tǒng)的流程圖；本文最后對該系 統(tǒng)作出一個總結： 該軟件設計模式可分為子模式的主要程序和在模式的合適位

16、置對設計軟件 進行備份。此外,它適用于很多方面的符號選擇和處理程序的應用,可消除因未預 知條件的變化而產生的影響。 該系統(tǒng)能高精度地有效控制其它的參數指標，值得推廣和應用。它不僅具有 其它領域那樣良好功能，而且具有更低的價格成本。 關鍵詞：模糊控制，隸屬函數，單片機編程，模糊控制規(guī)則AbstractFuzzy control is a sort of newly arisen control way based on fuzzy sets theory. Its one result of fuzzy system theory and fuzzy technique and automati

17、c control technique combined together. Its a sort of control way much more intelligent and saving. This design is a fuzzy controller of speed. Comparing the speed collected transducer with the set speed will give us two input variables. Then fuzzificate the two input variables in the design and asce

18、rtain their membership functions, afterwards, establish the fuzzy controlling graph. Next, get the result through the programming process by single chip and PWM by controlling the faster through controlling the relay on the basis of the result. Thus, finally we could come to the effect that the spee

19、d could be kept constant steadily. The application of this system indicates that the precision reservoir designed on this control technology has reliable stability. And it has attained higher accuracy, short working time in transitive course on the precision temperature control. In this thesis, I fi

20、rstly introduced the whole component of this system, then the hardware and software. In the part of hardware, I depicted the relation between the whole structure and modes, and further tells the inner structure and outer character of new programming chip. As for the part of software, I explained the

21、 theory of the fuzzy control firstly, and then showed its application in this system. Thirdly, I illustrated the flow chart of this system in which the fuzzy control is implied. At the end of this thesis I draw a conclusion about this system： The software designed on mode could be divided into sub m

22、odes in the main program. And on the suitable position of modes, was set software trap to redundancy design. In addition, it applies many ways in the program of symbol selection and processing to eliminate the effect of random shock. This system can also control others parameter quota with high accu

23、racy. It deserves being spread and applied Furthermore, it not only has good function as the others country but also has lower price. Key Words: fuzzy control membership function singlechip programme fuzzy control rules第一章 緒 論1.1 論文的背景(bijng)及意義電動機作為最主要的機電能量轉換裝置(zhungzh)，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域和人們的日常生活。無論

24、是在工農業(yè)生產，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產品（如電冰箱，空調，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產(shngchn)的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關，密不可分。 直流電機是最常見和成本最低的小型電機，并且廣泛用于各種應用。無刷直流電機宣稱能提供更高可靠性以及更低噪聲和成本，然而到目前為止，它卻只能在磁盤或計算機風扇等少數量產應用中取代傳統(tǒng)直流電機。在某些應用里，無刷直流電機有多項優(yōu)點勝過傳統(tǒng)電刷電機，例如它以電子組件和傳感器取

25、代電刷，不但延長電機壽命和減少維護成本，而且也沒有電刷產生的噪音。直流電機的特性使它成為調速系統(tǒng)最容易使用的電機。電氣時代，電動機的調速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關元件來實現。還有一類控制叫復雜控制，是指對電動機的轉速，轉角，轉矩，電壓，電流，功率等物理量進行控制。模糊控制技術是以模糊數學為基礎發(fā)展起來的一種新的控制技術。模糊控制方式是一種非線性控制方式，對無法取得數學模型或數學模型相當粗糙的系統(tǒng)可以取得令人滿意的控制效果。直流電動機轉速控制是一種非線性的時變的復雜過程，轉速

26、直接影響著工件的機器質量。本文討論了利用模糊控制技術設計的單片機模糊速度控制系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID速度控制系統(tǒng)精度高、速度快。1.2 國內外研究(ynji)現狀及發(fā)展展望由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣(nyng)結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術、電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流調速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等

27、需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。而且，直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。因此加強對直流調速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進一步發(fā)展交流調速系統(tǒng)，促進調速系統(tǒng)的進一步完善。在我國，模糊控制的理論研究水平相對較高，而應用技術水平卻相對落后(lu hu)，特別是在工業(yè)過程控制領域，普遍采用簡單的模糊控制方法查表法或公式法實現模糊控制，雖然其控制精度不高，但簡單實用性很高。本文推出一種通用的模糊控制器，其模糊控制用查表法實現，從而改善控制性能，只要根據對象給出系統(tǒng)輸入、輸出量的隸屬函數及控制規(guī)則，再加上少量的外圍電路就可構成一個模糊控制系統(tǒng)。

28、1.3 本文研究的主要內容1、 了解了直流電動機的重要意義，明確了模糊控制的發(fā)展現狀，知道了基于模糊控制的直流電機調速系統(tǒng)的發(fā)展展望；2、 對直流電機和模糊控制的工作原理做了簡單介紹。3、 詳細研究基于模糊控制的直流電機調速系統(tǒng)的可行性，并且具體分析調速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，軟硬件的仿真驗證，發(fā)現系統(tǒng)的明顯優(yōu)點。4、 根據調速系統(tǒng)的功能，完成系統(tǒng)的軟件仿真和硬件(yn jin)設計，繪制電路圖，并最終完成實物系統(tǒng)；5、 重點(zhngdin)完成matlab系統(tǒng)級仿真(fn zhn)，仿真出相應數據輸出。6、 有效率的完成硬件選材和制作；7、 對本次設計做總結，寫出設計的心得體會。第二章 直流電機2.

29、1 直流電機簡介將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉子的繞組提供電流，換向器使轉子電流與磁場產生的轉矩保持方向不變。根據是否是否配置有常用的電刷-換向器可以將直流電動機分為兩類，包括有刷直流電動機和無刷直流電動機。 圖1-1有刷直流電動機 圖1-2無刷直流電動機無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術的發(fā)展和高開關頻率低功耗新型電力電子器件的應用，以及控制方法的優(yōu)化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。無刷直流電機既保持了傳統(tǒng)直流電機良好的調速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，因而在航空航天、數控機床、機

30、器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都獲得了廣泛應用。按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢(dinsh)波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。2.2 直流電機結構(jigu)直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極(cj)、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心

31、、電樞繞組、換向器和風扇等組成。2.2.1定子（1）主磁極主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.5mm1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，（2）換向極換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數

32、目與主磁極相等。（3）機座電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：一、是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；二、是機座本身(bnshn)也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。（4）電刷裝置(zhungzh)電刷裝置是用來引入或引出(yn ch)直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位

33、置可以調整，調好以后加以固定。2.2.2轉子（1）電樞鐵心電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。（2）電樞繞組電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線

34、圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。（3）換向器在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。（4）轉軸轉軸起轉子(zhun z)旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。2.3 直流電機工作(gngzu)原理 圖1-3 直流電動機(dngj)模型圖是一個最簡單的直流電動機模型。在一對靜止的磁極N和S之間，裝設一個可以

35、繞Z-Z軸而轉動的圓柱形鐵芯，在它上面裝有矩形的線圈abcd。這個轉動的部分通常叫做電樞。線圈的兩端a和d分別接到叫做換向片的兩個半圓形銅環(huán)1和2上。換向片1和2之間是彼此絕緣的，它們和電樞裝在同一根軸上，可隨電樞一起轉動。A和B是兩個固定不動的碳質電刷，它們和換向片之間是滑動接觸的。來自直流電源的電流就是通過電刷和換向片流到電樞的線圈里。 圖1-4換向器在直流電機中的作用當電刷A和B分別與直流電源的正極(zhngj)和負極接通時，電流從電刷A流入，而從電刷B流出。這時線圈(xinqun)中的電流方向是從a流向(li xin)b，再從c流向d。我們知道，載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左

36、手定則來決定。當電樞在圖7-5（a）所示的位置時，線圈ab邊的電流從a流向b，用+表示，cd邊的電流從c流向d，用表示。根據左手定則可以判斷出，ab邊受力的方向是從右向左，而cd邊受力的方向是從左向右。這樣，在電樞上就產生了反時針方向的轉矩，因此電樞就將沿著反時針方向轉動起來。當電樞轉到使線圈的ab邊從N極下面進入S極，而cd邊從S極下面進入N極時，與線圈a端聯接的換向片1跟電刷B接觸，而與線圈d端聯接的換向片2跟電刷A接觸，如圖7-5（b）所示。這樣，線圈內的電流方向變?yōu)閺膁流向c，再從b流向a，從而保持在N極下面的導體中的電流方向不變。因此轉矩的方向也不改變，電樞仍然按照原來的反時針方向繼

37、續(xù)旋轉。由此可以看出，換向片和電刷在直流電機中起著改換電樞線圈中電流方向的作用。2.4直流電機調速原理由直流電機的速度公式 n=(Ua-IaRa)/Ca,其中n是電機轉速，Ua是電 樞電壓，Ia是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電極常數，是電機的勵磁磁通。對于極對數是p，匝數是n，電樞支路數為a的電機來說Ca是常數。由上式可得，直流電動機的轉速控制方法可分為兩類：調節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少?，F在，大多數應用場合都使用

38、電樞控制方法。 對電動機的驅動離不開半導體功率器件。在對直流電動機電樞電壓的控制和驅動中，對半導體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。 線性放大驅動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾??；但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機的驅動。絕大多數直流電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制PWM來控制電動機電樞電壓，實現調速。 在PWM調速時，占空比是一個重要(zhngyo)參數。以下3種方法(

39、fngf)都可以改變占空比的值。 （1）定寬調頻(dio pn)法 這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。 （2）調頻調寬法 這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。 （3）定頻調寬法 這種方法是使周期T（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。 前兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。第三章 模糊控制概論利用模糊數學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影

40、響控制優(yōu)劣的最主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的 HYPERLINK /view/1259773.htm t _blank 控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數學來處理這些控制問題。3.1 模糊控制理論所謂模糊控制，是指在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現與操作者相同的控制。其中“模糊”是

41、指知識、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完成的卻是一項完全確定的工作。 為實現模糊控制，需要設計模糊控制器，以實現語言控制。模糊(m hu)控制器結構包括以下3個方面(fngmin)： （1）精確量的模糊化，把語言(yyn)變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集； （2）模糊控制算法的設計，通過一組模糊條件語句構成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關系； （3）輸出信息的模糊判決，并完成模糊量到精確量的轉換。 模糊控制以模糊數學理論、模糊語言形式為理論基礎，是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，這些模糊控制規(guī)則是直接從專家經驗或現場操作者的經驗中進行歸納、優(yōu)化得出來

42、的，是一種蘊涵著人類智能、推理和決策的控制方式。經典數學以特征函數討論問題，而模糊數學以隸屬函數討論問題。系統(tǒng)精確數學模型的建立，其實質是應用一定的數學處理手段，基于待辨識系統(tǒng)的大量測量數據，找出體現系統(tǒng)輸入與輸出之間的內在聯系，并通過一定的數學表達式加以描述。建立系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測數據進行模糊化處理，轉化成通過隸屬度和模糊子集表達的模糊量，也就是說，將原通過精確量數據描述系統(tǒng)輸入輸出之間的內在聯系（精確數學模型），轉化成一種相應的由條件語句IF（輸入語言變量模糊子集）、THEN（輸出語言變量模糊子集）表達的模糊關系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。 模糊控制具有以

43、下特點： （1）模糊控制是一種基于經驗規(guī)則的控制，它直接采用語言控制規(guī)則，依據現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受和理解，設計簡單，便于應用。 （2）由于從工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 （3） 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標不同，容易導致(dozh)較大差異。但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器； （4） 模糊控制

44、是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法(fngf)，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平； （5） 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果影響大大減弱，尤其適合于非線性、時滯后系統(tǒng)的控制。 一個缺乏精確數學模型的被控對象，很難用現有的控制理論來處理，但是人工智能對復雜現象的分析和判斷能力是很強的，特別是有經驗的操作人員，通過對系統(tǒng)的操作、控制，總是可以總結一套控制規(guī)則，應用模糊集合理論，把這些控制規(guī)則寫成一串模糊條件語句，構成一個模糊模型，利用這個模型可以設計出比較理想的控制器。 模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最

45、大的特點是將專家的經驗和知識表示為語言控制規(guī)則，并應用這些語言控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可不依賴于被控對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控對象的參數變化具有較強的魯棒性。它不用建立數學模型，根據實際系統(tǒng)的輸入輸出結果數據，參考現場操作人員的操作運行經驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制。3.2 模糊控制與PID控制對比 PID控制具有結構簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)，PID控制之中最關鍵的是PID 參數整定，傳統(tǒng)方法是在獲取對象數學模型的基礎上，根據某一整定原則來確定參數。但在實際應用中，許多被控對象具有機理復雜，高非線性，時變不確定性和滯后

46、性等特征。對于大滯后、非線性的復雜系統(tǒng)，常規(guī)PID控制很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。模糊控制不需要控制對象的精確數學模型，它是一種基于規(guī)則的控制，依據操作人員的控制經驗和專家的知識(zh shi)，通過查表就可以得到控制量，實現簡單，控制效果好，因而模糊控制的控制性能比傳統(tǒng)的PID控制(kngzh)有明顯的優(yōu)勢。 模糊控制和PID控制(kngzh)性能各有特點，針對模糊控制和PID控制對被控對象參數變化的自適應能力方面進行比較，可以發(fā)現，常規(guī)的PID控制盡管能達到一定的效果，但基本上對電機參數變化基本上沒有適應能力，模糊控制器較PID調節(jié)控制不僅對被控對象參數變化適應能力強，而且在對象模

47、型結構發(fā)生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果。 圖3-1 模糊控制和pid控制曲線對比黃：模糊 紫：PID模糊控制有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點1.使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數學模型； 2. 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對過程參數的變化具有較強的適應性； 3. 對于具有一定操作經驗、而非控制專業(yè)的工作者控制方法易于掌握； 4. 工作人員易于通過人的自然語言進行(jnxng)人機界面聯系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。3.3 模糊控制原理(yunl) 3.3.1 模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一

48、種計算機數字控制。該系統(tǒng)的被控對象是直流電動機，被控參數是直流電動機電流值，單片機模糊速度控制器，控制器根據系統(tǒng)給定(i dn)角速度和直流電動機角速度偏差值及電動機角速度偏差值的變化率，利用模糊控制算法，求出控制系統(tǒng)的控制輸出量k（數字量），經D/A變換器轉變?yōu)榭刂颇M量以控制直流電動機電流。它的基本原理見圖，可概括為以下四個步驟：a根據傳感器采樣值，計算出變化量和變化率作為系統(tǒng)的輸入量。b將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?。c根據輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算 模糊量。d. 由上述得到的控制量計算精確的控制量。通常使用的變量形式用N(Negabive)，P(Positi

49、ve)，L(Large)，S(Small)，0(Zero)等組合來表示. 圖3-2 模糊控制的基本原理3.3.2 模糊控制器設計方法模糊控制器的設計基本方法為：a.確定模糊控制器的輸入變量與輸出變量。 b.設計模糊控制器的控制規(guī)則。c.模糊化與非模糊化的方法。d.模糊控制器的輸入變量和輸出(shch)變量的論域并確定模糊控制器的參數。e.模糊控制算法(sun f)的應用程序。f.選擇模糊控制算法(sun f)的采樣時間。模糊規(guī)則的設計一般包括：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義一個模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。輸入輸出變量的詞集一般為NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL

50、。定義模糊變量的模糊子集就是要確定模糊子集函數的形狀。一般用正態(tài)分布。在精確度要求不很高時，可采用梯形分布。控制規(guī)則可用條件語句描述，即if A and B then C等，然后建立控制規(guī)則表。模糊化就是把精確量轉為模糊量，可采用公式：Y = 12x(a+b)/2(b-a),精確量實際變化范圍為a,b。模糊控制的輸出是一個模糊量，它不能直接控制被控對象，需要將其轉為精確量。此過程亦稱清晰化、判決。方法有三：a.取最大隸屬度法。該法簡單易行，但利用信息少。b.中位法。c.平均判決法，該法利用信息多，但計算量大。第四章 MATLAB中模糊(m hu)應用及仿真4.1 用MATLAB編輯(binj)

51、模糊控制器模糊控制直流電機調速系統(tǒng)的工作過程是：給定一個轉速值，根據檢測到的轉速值，計算轉速偏差。由于(yuy)此時的轉速偏差e是精確值，需要經過模糊化處理，得到模糊量。模糊控制器根據輸入變量（模糊量），按照模糊控制推理規(guī)則，計算得到控制量（模糊量）。最后，把模糊控制量去模糊處理變成精確量。 通過第五章分析已知，本仿真中所用模糊控制器為二維模糊控制器。 直流電機調速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點就是模糊控制器的設計。 采用MATLAB 中模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊控制器，下面簡述編輯過程： （1）模糊集合的編輯和運算 （2）確定個輸入出變化量的變化范圍及量化因子： （3）模

52、糊規(guī)則編輯 （4）模糊推理 （5）輸出預覽4.2 結合本設計巧用MATLAB4.2.1模糊推理的五個步驟輸入變量的模糊化fuzzy inputs這是模糊推理的第一步，是獲取輸入變量，并確定它們的隸屬函數，從而確定屬于每個模糊集合的隸屬度。2) 應用模糊算子Apply Fuzzy Operator完成了輸入模糊化，就知道了對于每個模糊規(guī)則，前提中每一個部分被滿足的程度。如果一個給定規(guī)則的前提有多個部分，則要應用模糊算子來獲得一個數值，這個數值表示前提對于該規(guī)則的滿足程度。模糊算子有模糊交（AND）和模糊或（OR）算子。3) 應用(yngyng)推理方法Apply Implication Meth

53、od推理(tul)的類型有mamdani和sugeno 推理(tul)。Mamdani推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它本質上仍然是一種合成推理方法，只不過對模糊蘊涵關系取不同的形式而已。Mamdani型推理，從每個規(guī)則的結果中得到的模糊集通過聚類運算后得到結果模糊集，被反模糊化后得到系統(tǒng)輸出。Sugeon型推理：其中每個規(guī)則的結果是輸入的線性組合，而輸出是結果的加權線性組合。4) 輸出的聚類Aggregate All Outputs由于決策是在對模糊推理系統(tǒng)中所有規(guī)則進行綜合考慮的基礎上做出的，因此必須以某種方式將規(guī)則結合起來以做出決策。聚類就是這樣一個過程，它將表示每個規(guī)則輸出的模

54、糊集結合成一個單獨的模糊集。聚類方法有max，probor（概率乘），sum。其中，sum執(zhí)行的是各規(guī)則輸出集的簡單相加。5) 解模糊化Defuzzify解模糊化過程也叫反模糊化過程，它的輸入是一個模糊集，既上一步的聚類輸出模糊集，其輸出為一個單值。模糊集的聚類中包含很多輸出值，因此必須進行反模糊化，以從集合中解析出一個單輸出值。4.2.2模糊邏輯工具箱的使用模糊邏輯工具箱提供的圖形用戶界面（GUI）工具有五個：模糊推理系統(tǒng)（FIS）編輯器；隸屬函數編輯器；模糊規(guī)則編輯器；模糊規(guī)則觀察器；輸出曲面觀察器。1）FIS編輯器：Matlab的FIS界面如圖所示。在Matlab的launch pad窗

55、口中，用鼠標雙擊模糊邏輯系統(tǒng)工具箱（fuzzy logic toolbox）中的FIS Editor viewer項，打開模糊推理系統(tǒng)編輯器（FIS Editor），或者直接在Matlab命令窗口中輸入指令：fuzzy。FIS處理系統(tǒng)有多少個輸入變量，輸出變量，名稱是什么，模糊算子“與”(min，prod乘積，custom自定義)，“或”(max大，probor 概率統(tǒng)計方法，custom)，推理方法（min，prod，custom），聚類方法（max，probor，sum，custom），解模糊的方法（centroid質心法，bisector中位線法，middle of maximum，最大

56、隸屬度法largest of maximum，smallest of maximum）。圖4-1 模糊推理系統(tǒng)(xtng)（FIS）界面(jimin)2) 隸屬(lsh)函數編輯器：確定各個變量的論域和顯示范圍（左下角編輯區(qū)內），如圖4所示。打開方式：FIS Editor/edit/membership editor function。定義每個變量的模糊集的名稱（如負大、負中、負小、零、正小、正中、正大）和個數（Edit菜單中Add MFs），以及每個模糊變量的隸屬函數類型和參數（點擊變量的隸屬函數曲線后在右下角編輯區(qū)內修改）。隸屬函數的類型有：trimf，trapmf，gbellmf，gau

57、ssmf，gauss2mf，sigmf，dsigmf，psigmf，pimf，smf，zmf利用FIS Editor編輯器的Edit/Add variable/input菜單，添加一條輸入語言變量，并將兩個輸入語言和一個輸出語言變量的名稱分別定義為：E；ED；U。其中，E代表轉速差值（七個語言值：負大，負中，負小，不變，正小，正中，正大），轉速差值變化量（五個語言值：負大，負小，不變，正小，正大），U代表電機驅動電壓（五個語言變量：極小，小，中，大，極大）。圖4-2 隸屬(lsh)函數編輯器3) 模糊(m hu)規(guī)則編輯器：完成了對變量的命名，隸屬函數也有了適當的形狀和名字(mng zi)，就

58、可以編輯模糊規(guī)則。選擇連接關系（and 或者or），權重，在編輯器左邊選擇一個輸入變量，并選擇它的語言值，然后在編輯器右邊的輸出變量中選擇一個輸出變量，并選中它的語言值，然后將這種聯系添加到模糊規(guī)則中。Options/Format 下可以選擇模糊規(guī)則不同的格式，默認的是verbose（模糊規(guī)則的詳細格式），還有symbolic（符號格式），indexed（高度壓縮格式）圖4-3模糊(m hu)規(guī)則編輯器4) 模糊(m hu)規(guī)則觀察器模糊規(guī)則(guz)觀察器的功能是可以令用戶觀察模糊推理圖，并觀察模糊推理系統(tǒng)的行為是否與預期的一樣。可以觀察到輸入變量（默認色是黃色）和輸出變量（默認色是藍色）如

59、何應用在模糊規(guī)則中；反模糊化的數值是多少。圖4-4 模糊規(guī)則觀察器輸出曲面觀測器模糊規(guī)則觀察器非常詳細的顯示了在某一個時刻的計算。如果看到模糊推理系統(tǒng)(xtng)的全部輸出曲面，即與整個輸入區(qū)間相對應的輸出區(qū)間，就要打開輸出曲面觀測器。圖4-5 輸出(shch)曲面觀測器制作(zhzu)模糊控制表 表4-1模糊控制表得到了模糊控制表，接下來我們就可以根據控制表編寫相應的程序以控制硬件，從而達到軟硬件結合的目的。4.3 在MATLAB中用查詢表法仿真4.3.1建立查詢表法仿真模型查詢表法是模糊控制中的最基本的方法，用這種方法實現模糊控制決策過程最終轉化為一個根據模糊控制系統(tǒng)的誤差和誤差變化（模糊

60、量）來查詢控制量（模糊量）的方法。本設計利用了Matlab仿真模塊直接查詢表（Direct look-up table）模塊（在Simulink下的Functions and Tables模塊下去查找），將模糊控制表中的數據輸入給 Direct look-up table，見下圖模型。圖4-6 查詢(chxn)表模型仿真模型如上圖所示?？紤]到輸入變量的變化(binhu)范圍,有可能超出(choch)表中給定的值,選擇了兩個飽和環(huán)節(jié)saturation1和saturation2作為超限的保護。Rounding function是四舍五入環(huán)節(jié),將小數轉換為整數。因為direct look-up t